JP7594932B2 - Fuel cell separator member and method for manufacturing fuel cell separator member - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレータ部材、燃料電池用セパレータ部材の製造方法、及び燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator member, a method for manufacturing a fuel cell separator member, and a fuel cell separator.
燃料電池の発電効率を高める方法の1つとして、燃料電池用セパレータの導電性を向上させる方法がある。例えば、特許文献1には導電性粉粒体を含む熱可塑性樹脂シートを用いた燃料電池用セパレータが開示されている。特許文献2には、炭素質粉末と樹脂との混合物に被覆された有機物シートを用いた燃料電池用セパレータが開示されている。 One method for increasing the power generation efficiency of a fuel cell is to improve the electrical conductivity of the fuel cell separator. For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell separator that uses a thermoplastic resin sheet containing conductive powder particles. Patent Document 2 discloses a fuel cell separator that uses an organic sheet coated with a mixture of carbonaceous powder and resin.
この燃料電池用セパレータの導電性を評価する指標として、貫通抵抗率(厚さ方向の抵抗率)と体積抵抗率(単位体積当たりの抵抗率)がある。これら貫通抵抗率及び体積抵抗率は、低いほど好ましい。 The conductivity of this fuel cell separator can be evaluated using the through resistance (resistivity in the thickness direction) and the volume resistivity (resistivity per unit volume). The lower the through resistance and volume resistivity, the better.
しかし、これら燃料電池用セパレータは、導電性は有するものの、貫通抵抗率(厚さ方向の抵抗率)及び体積抵抗率(単位体積当たりの抵抗率)は依然高いという課題を有する。 However, although these fuel cell separators are conductive, they still have the problem of having high through-hole resistivity (resistivity in the thickness direction) and volume resistivity (resistivity per unit volume).
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、貫通抵抗率及び体積抵抗率が低い燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータを構成する燃料電池用セパレータ部材、及び燃料電池用セパレータ部材の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a fuel cell separator having low through-hole resistivity and volume resistivity, a fuel cell separator member constituting the fuel cell separator, and a method for manufacturing the fuel cell separator member.
上記目的を達成するために、[1]本発明にかかる燃料電池用セパレータ部材は、基材にカーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物を含浸させたプリプレグ層と、前記プリプレグ層の両面にそれぞれ積層された黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物から構成される樹脂層と、を備え、前記樹脂層の体積抵抗率は、前記プリプレグ層の体積抵抗率よりも低い。 To achieve the above object, [1] the fuel cell separator member of the present invention comprises a prepreg layer in which a substrate is impregnated with a thermosetting resin composition containing carbon-based powder, and resin layers made of a thermosetting resin composition containing graphite laminated on both sides of the prepreg layer, and the volume resistivity of the resin layer is lower than that of the prepreg layer.
また、[2]前記基材は、織物から構成されてもよい。 [2] The substrate may also be made of a woven fabric.
また、[3]前記黒鉛は、薄片状の形状を有してもよい。 [3] The graphite may also have a flake shape.
また、[4]前記樹脂層は、空隙を含んでもよい。 [4] The resin layer may also include voids.
また、[5]前記プリプレグ層を構成する熱硬化性樹脂組成物は、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂100質量部(固形分換算)に対して1~100質量部の前記カーボン系粉体と、を含んでもよい。 [5] The thermosetting resin composition constituting the prepreg layer may contain an epoxy resin and 1 to 100 parts by mass of the carbon-based powder per 100 parts by mass of the epoxy resin (solid content equivalent).
また、[6]前記樹脂層を構成する熱硬化性樹脂組成物は、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂100質量部(固形分換算)に対して100~2000質量部の前記黒鉛と、を含んでもよい。 [6] The thermosetting resin composition constituting the resin layer may contain an epoxy resin and 100 to 2,000 parts by mass of the graphite per 100 parts by mass of the epoxy resin (solid content equivalent).
上記目的を達成するために、[7]本発明にかかる燃料電池用セパレータ部材の製造方法は、基材にカーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物を含浸させてプリプレグ層を作製する工程と、薄片状の黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物をシート状に成形して樹脂層を作製する工程と、前記プリプレグ層の両面に前記樹脂層をそれぞれ積層し、加圧することにより前記プリプレグ層と前記樹脂層とを一体化する工程と、を備える。 To achieve the above object, [7] the method for manufacturing a fuel cell separator member according to the present invention comprises the steps of: impregnating a substrate with a thermosetting resin composition containing carbon-based powder to produce a prepreg layer; forming a thermosetting resin composition containing flake-like graphite into a sheet to produce a resin layer; and laminating the resin layers on both sides of the prepreg layer and integrating the prepreg layer and the resin layer by applying pressure.
上記目的を達成するために、[8]本発明にかかる燃料電池用セパレータは、基材と、薄片状の黒鉛と樹脂とを含むマトリックス層と、を備え、前記基材は前記マトリックス層に埋設され、前記マトリックス層の表面領域において前記マトリックス層の主面に対して前記黒鉛の主面が平行又は傾いた状態にあり、前記基材の近傍領域において前記マトリックス層の主面に対して前記黒鉛の主面の傾きが前記マトリックス層の表面領域に存在する前記黒鉛の主面の傾きより大きい。 To achieve the above object, [8] the fuel cell separator of the present invention comprises a substrate and a matrix layer containing flaky graphite and a resin, the substrate is embedded in the matrix layer, the main surface of the graphite is parallel or inclined to the main surface of the matrix layer in the surface region of the matrix layer, and the inclination of the main surface of the graphite to the main surface of the matrix layer in the region near the substrate is greater than the inclination of the main surface of the graphite present in the surface region of the matrix layer.
また、[9]前記マトリックス層の表面領域の黒鉛の密度は、前記基材の近傍領域の黒鉛の密度よりも高い。 [9] Furthermore, the density of the graphite in the surface region of the matrix layer is higher than the density of the graphite in the adjacent region of the substrate.
また、[10]前記樹脂は、熱硬化性樹脂組成物から構成されることが望ましい。 [10] It is also preferable that the resin is composed of a thermosetting resin composition.
また、[11]前記基材は、織物から構成されてもよい。 [11] The substrate may also be made of a woven fabric.
本発明によれば、貫通抵抗率及び体積抵抗率が低い燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータを構成する燃料電池用セパレータ部材、及び燃料電池用セパレータ部材の製造方法を提供することができる。 The present invention can provide a fuel cell separator having low penetration resistivity and volume resistivity, a fuel cell separator member constituting the fuel cell separator, and a method for manufacturing the fuel cell separator member.
以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「実施の形態」という。)にかかる燃料電池用セパレータ部材、燃料電池用セパレータ部材の製造方法、及び燃料電池用セパレータついて詳細に説明する。実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。 The following provides a detailed explanation of a fuel cell separator member, a method for manufacturing a fuel cell separator member, and a fuel cell separator according to a form for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as "embodiment"). The embodiment is an example for explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention to the following content. The present invention can be carried out with appropriate modifications within the scope of its gist.
以下の説明において、同一又は類似の構成要素には、同じ符号を付して、重複する説明を省略する。さらに、本発明で用いる用語として、Bステージとは、樹脂組成物の硬化反応が完全に進んでいない状態をいう。また、Cステージとは、樹脂組成物の硬化反応がほぼ完全に進んだ状態をいう。 In the following description, identical or similar components are given the same reference numerals, and duplicated descriptions are omitted. Furthermore, as terms used in this invention, the B stage refers to a state in which the curing reaction of the resin composition has not progressed completely. The C stage refers to a state in which the curing reaction of the resin composition has progressed almost completely.
燃料電池用セパレータ部材、燃料電池用セパレータ部材の製造方法、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法の順で説明する。 The following will be explained in the order of fuel cell separator member, manufacturing method of fuel cell separator member, fuel cell separator, and manufacturing method of fuel cell separator.
(燃料電池用セパレータ部材10)
実施の形態の燃料電池用セパレータ部材10について説明する。図1に示すように、燃料電池用セパレータ部材10は、プリプレグ層13の両面に樹脂層11がそれぞれ積層された構成を有する。燃料電池用セパレータ部材10は、プリプレグ層13に樹脂層11を積層し、プリプレグ層13と樹脂層11とが密着する温度で、プリプレグ層13と樹脂層11とを加熱することで得られる。燃料電池用セパレータ部材10の硬化状態はBステージである。このような構成を有する燃料電池用セパレータ部材10は、燃料電池を構成する燃料電池用セパレータ60の部材(燃料電池用セパレータに加工される前の部材)として用いることができる。
(Fuel cell separator member 10)
A fuel cell separator member 10 according to an embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell separator member 10 has a structure in which a resin layer 11 is laminated on both sides of a prepreg layer 13. The fuel cell separator member 10 is obtained by laminating the resin layer 11 on the prepreg layer 13, and heating the prepreg layer 13 and the resin layer 11 at a temperature at which the prepreg layer 13 and the resin layer 11 are in close contact with each other. The fuel cell separator member 10 is in a cured state of B stage. The fuel cell separator member 10 having such a structure can be used as a member of a fuel cell separator 60 constituting a fuel cell (a member before being processed into a fuel cell separator).
プリプレグ層13及び樹脂層11について説明する。 The prepreg layer 13 and the resin layer 11 will be explained.
(プリプレグ層13)
プリプレグ層13は、基材にカーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物が含浸されて構成される。プリプレグ層13の硬化状態はBステージである。
(Prepreg layer 13)
The prepreg layer 13 is formed by impregnating a base material with a thermosetting resin composition containing carbon-based powder. The cured state of the prepreg layer 13 is in the B stage.
プリプレグ層13の厚みは、燃料電池用セパレータ自体の厚さによるが、好ましくは40~200μmであり、導電性の観点から、より好ましくは、50~150μmである。 The thickness of the prepreg layer 13 depends on the thickness of the fuel cell separator itself, but is preferably 40 to 200 μm, and from the viewpoint of electrical conductivity, is more preferably 50 to 150 μm.
プリプレグ層13の体積抵抗率は、燃料電池用セパレータの導電性を確保する観点から、好ましくは500mΩ・cm以下であり、より好ましくは400mΩ・cm以下である。ここで、体積抵抗率の測定で用いるプリプレグ層13の硬化状態は、Cステージである。 From the viewpoint of ensuring the electrical conductivity of the fuel cell separator, the volume resistivity of the prepreg layer 13 is preferably 500 mΩ·cm or less, and more preferably 400 mΩ·cm or less. Here, the cured state of the prepreg layer 13 used in measuring the volume resistivity is the C stage.
基材は、樹脂層11及びプリプレグ層13から構成される燃料電池用セパレータ部材10を加熱し、溶融した樹脂層11及びプリプレグ層13の樹脂成分を流動させる観点から、開口部を有することが好ましい。開口部を有する基材として、例えば、織物が挙げられる。 The substrate preferably has openings from the viewpoint of heating the fuel cell separator member 10 composed of the resin layer 11 and the prepreg layer 13 and flowing the resin components of the molten resin layer 11 and the prepreg layer 13. An example of a substrate having openings is a woven fabric.
織物は、経糸と緯糸とを織成してなる織物である。織りは、特に限定されるものではないが、平織り、綾織り、又は朱子織りが挙げられる。 A woven fabric is a fabric made by weaving warp and weft threads. The weave is not particularly limited, but examples include plain weave, twill weave, and satin weave.
織物は、経糸に緯糸を織り込んだ際に形成される経糸と緯糸との隙間、すなわち開口部を有する。開口部の大きさは、燃料電池用セパレータ部材10を成形した後の燃料電池用セパレータ60の貫通抵抗率を低くする観点から、好ましくは、0.01~0.20mm2である。また、この開口部が存在することにより、後述する燃料電池用セパレータ60を作製する過程(特に加熱加圧する過程)において、燃料電池用セパレータ部材10の樹脂成分が溶融した際に樹脂の流動性が向上する。 The woven fabric has gaps between the warp and weft threads, i.e., openings, which are formed when the weft threads are woven into the warp threads. The size of the openings is preferably 0.01 to 0.20 mm2 from the viewpoint of reducing the penetration resistivity of the fuel cell separator 60 after the fuel cell separator member 10 is molded. Furthermore, the presence of these openings improves the fluidity of the resin when the resin component of the fuel cell separator member 10 melts during the process of producing the fuel cell separator 60 (particularly the process of heating and pressing), which will be described later.
経糸と緯糸が交差する部分(経糸と緯糸との交点部分)は、カーボン系粉体に起因する導電通路の形成を容易にさせる観点から、融着、溶着又は接着してあることが好ましい。経糸と緯糸が交差する部分が融着された織物の一例として、ポリエステルメッシュが挙げられる。 The intersections of the warp and weft threads (intersections of the warp and weft threads) are preferably fused, welded or glued in order to facilitate the formation of conductive paths resulting from the carbon powder. One example of a woven fabric in which the intersections of the warp and weft threads are fused is polyester mesh.
基材の材質は、特に限定されるものではないが、樹脂系の材料、ガラス系の材料又は炭素系の材料が挙げられる。 The material of the substrate is not particularly limited, but examples include resin-based materials, glass-based materials, and carbon-based materials.
樹脂系の材料は、例えば、ポリイミド等の熱硬化性樹脂、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルサルフォン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等の熱可塑性樹脂が挙げられる。 Examples of resin-based materials include thermosetting resins such as polyimide, and thermoplastic resins such as polyamide, polyamideimide, polyphenylene sulfide, polyethersulfone, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, and polyethylene naphthalate.
ガラス系の材料は、例えば、Tガラス、Eガラス、Cガラス、Sガラス、Dガラスが挙げられる。入手容易性の観点から、好ましくは、Eガラスである。 Examples of glass-based materials include T-glass, E-glass, C-glass, S-glass, and D-glass. From the viewpoint of availability, E-glass is preferred.
炭素系の材料は、例えば、PAN(ポリアクリロニトリル)系の炭素、ピッチ系の炭素が挙げられる。 Examples of carbon-based materials include PAN (polyacrylonitrile)-based carbon and pitch-based carbon.
基材の厚さは、軽薄を維持し強度が高いプリプレグ層13を得る観点から、好ましくは40~200μmである。 The thickness of the substrate is preferably 40 to 200 μm in order to obtain a prepreg layer 13 that is light and thin and has high strength.
基材と熱硬化性樹脂組成物との密着性を向上させる観点から、基材の表面にシランカップリング処理、プラズマ処理、又は粗面化処理が施されていることが好ましい。 From the viewpoint of improving the adhesion between the substrate and the thermosetting resin composition, it is preferable that the surface of the substrate is subjected to a silane coupling treatment, a plasma treatment, or a roughening treatment.
プリプレグ層13を構成する熱硬化性樹脂組成物は、特に限定されるものではないが、好ましくは、エポキシ樹脂を主剤としたエポキシ系樹脂組成物である。 The thermosetting resin composition constituting the prepreg layer 13 is not particularly limited, but is preferably an epoxy-based resin composition with epoxy resin as the main component.
エポキシ樹脂は、特に限定されるものではないが、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、アミン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、及び脂環式エポキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種を用いることができる。加工性及び耐熱性の観点から、好ましくは、ノボラック型エポキシ樹脂である。 The epoxy resin is not particularly limited, but at least one selected from the group consisting of bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, novolac type epoxy resin, amine type epoxy resin, biphenyl type epoxy resin, and alicyclic epoxy resin can be used. From the viewpoints of processability and heat resistance, novolac type epoxy resin is preferable.
カーボン系粉体を構成する材料は、特に限定されるものでないが、カーボンブラック、黒鉛、カーボンチョップ等が挙げられる。導電性及び加工性の観点から、好ましくはカーボンブラックである。カーボン系粉体は2種以上併用することができる。 The material constituting the carbon-based powder is not particularly limited, but examples include carbon black, graphite, carbon chop, etc. From the viewpoints of electrical conductivity and processability, carbon black is preferred. Two or more types of carbon-based powders can be used in combination.
カーボンブラックは、特に限定されるものではないが、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックが挙げられる。2種以上のカーボンブラックが混合されていてもよい。導電性を向上させる観点から、好ましくはアセチレンブラックである。 The carbon black is not particularly limited, but examples include furnace black, channel black, thermal black, and acetylene black. Two or more types of carbon black may be mixed. From the viewpoint of improving electrical conductivity, acetylene black is preferred.
カーボン系粉体の量は、エポキシ樹脂100質量部(固形分換算)に対し、1~100質量部である。加工性の観点から、より好ましくは、5~50質量部である。 The amount of carbon-based powder is 1 to 100 parts by mass per 100 parts by mass of epoxy resin (solid content equivalent). From the viewpoint of processability, it is more preferably 5 to 50 parts by mass.
(樹脂層11)
樹脂層11は、黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物から構成される。また、樹脂層11の硬化状態はBステージである。
(Resin layer 11)
The resin layer 11 is made of a thermosetting resin composition containing graphite, and is in a cured state of the B stage.
樹脂層11の厚みは、燃料電池用セパレータ自体の厚さによるが、好ましくは50~400μmであり、軽薄及び強度を維持する観点から、100~300μmである。 The thickness of the resin layer 11 depends on the thickness of the fuel cell separator itself, but is preferably 50 to 400 μm, and from the viewpoint of maintaining lightness and strength, is 100 to 300 μm.
樹脂層11の体積抵抗率は、燃料電池用セパレータの導電性を確保する観点から、好ましくは20mΩ・cm以下であり、より好ましくは15mΩ・cm以下である。ここで、体積抵抗率の測定で用いる樹脂層11の硬化状態は、Cステージである。 From the viewpoint of ensuring the electrical conductivity of the fuel cell separator, the volume resistivity of the resin layer 11 is preferably 20 mΩ·cm or less, and more preferably 15 mΩ·cm or less. Here, the cured state of the resin layer 11 used in measuring the volume resistivity is the C stage.
樹脂層11を構成する熱硬化性樹脂組成物は、特に限定されるものではないが、エポキシ樹脂を主剤としたエポキシ系樹脂組成物、フェノール樹脂を主剤としたフェノール系樹脂組成物、熱硬化性ポリイミド樹脂を主剤としたポリイミド系樹脂組成物、メラミン樹脂を主剤としたメラミン系樹脂組成物、ウレタン樹脂を主剤としたウレタン系樹脂組成物、ジアリルフタレート樹脂を主剤としたジアリルフタレート系樹脂組成物、不飽和ポリエステル樹脂を主剤とした不飽和ポリエステル系樹脂組成物、シアネートエステル樹脂を主剤としたシアネートエステル系樹脂組成物等が挙げられる。耐熱性、耐久性及び加工性の観点から、好ましくは、エポキシ系樹脂組成物である。 The thermosetting resin composition constituting the resin layer 11 is not particularly limited, but examples thereof include an epoxy resin composition mainly made of an epoxy resin, a phenolic resin composition mainly made of a phenolic resin, a polyimide resin composition mainly made of a thermosetting polyimide resin, a melamine resin composition mainly made of a melamine resin, a urethane resin composition mainly made of a urethane resin, a diallyl phthalate resin composition mainly made of a diallyl phthalate resin, an unsaturated polyester resin composition mainly made of an unsaturated polyester resin, and a cyanate ester resin composition mainly made of a cyanate ester resin. From the viewpoints of heat resistance, durability, and processability, an epoxy resin composition is preferable.
エポキシ系樹脂組成物で用いる主剤としてのエポキシ樹脂は、特に限定されるものではないが、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、アミン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、及び脂環式エポキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種を用いることができる。加工性及び耐熱性の観点から、好ましくは、ノボラック型エポキシ樹脂である。 The epoxy resin used as the base resin in the epoxy resin composition is not particularly limited, but at least one selected from the group consisting of bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, novolac type epoxy resin, amine type epoxy resin, biphenyl type epoxy resin, and alicyclic epoxy resin can be used. From the viewpoints of processability and heat resistance, novolac type epoxy resin is preferable.
黒鉛として、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛が挙げられる。コストの観点から、好ましくは天然黒鉛である。天然黒鉛の中でも、導電性の観点から、好ましくは膨張化黒鉛、鱗片状黒鉛、又は薄片化黒鉛である。2種以上併用することができる。 Examples of graphite include artificial graphite and natural graphite. From the viewpoint of cost, natural graphite is preferred. Among natural graphite, from the viewpoint of electrical conductivity, expanded graphite, flake graphite, or exfoliated graphite is preferred. Two or more types can be used in combination.
黒鉛の形状は、燃料電池用セパレータの導電性を向上させる観点、すなわち貫通抵抗率及び体積抵抗率を低くする観点から、好ましくは主面を有する薄片状である。主面を有する薄片状の形状として、例えば、葉片形状、鱗片形状等が挙げられる。 The shape of the graphite is preferably a flake shape having a main surface from the viewpoint of improving the electrical conductivity of the fuel cell separator, i.e., from the viewpoint of reducing the through-hole resistivity and volume resistivity. Examples of flake shapes having a main surface include a leaf shape, a scale shape, etc.
黒鉛の大きさは、樹脂層11の導電性を発現させ、樹脂層11をシート状に加工した際の形状及び樹脂層11の強度を維持する観点から、1~100μmである。なお、黒鉛の大きさとは、黒鉛の主面上において2箇所の端部と端部とがなす距離であり、最も離れている距離をいう。 The size of the graphite is 1 to 100 μm from the viewpoint of expressing the electrical conductivity of the resin layer 11 and maintaining the shape and strength of the resin layer 11 when the resin layer 11 is processed into a sheet. The size of the graphite refers to the distance between two ends on the main surface of the graphite, and is the greatest distance between the ends.
黒鉛の量は、導電性及び加工性の観点から、エポキシ樹脂100質量部(固形分換算)に対して、100~2000質量部である。燃料電池用セパレータのガスリーク及び導電性の観点から、より好ましくは、150~400質量部である。 From the viewpoints of electrical conductivity and processability, the amount of graphite is 100 to 2,000 parts by mass per 100 parts by mass of epoxy resin (solid content equivalent). From the viewpoints of gas leakage and electrical conductivity of the fuel cell separator, the amount of graphite is more preferably 150 to 400 parts by mass.
樹脂層11は、空隙を含む。空隙は、樹脂層11を構成する熱硬化性樹脂組成物中に含まれる黒鉛と黒鉛との間に存在する。この空隙の存在により、樹脂の流動が促進される。すなわち、樹脂層11を加熱した際に樹脂層11を構成する熱硬化性樹脂組成物の樹脂が溶融し、空隙に溶融した樹脂が入り込み、樹脂の流動が促進される。これにより、黒鉛も燃料電池用セパレータの貫通抵抗率及び体積抵抗率が低くなるような配置となる。 The resin layer 11 contains voids. The voids exist between the graphite particles contained in the thermosetting resin composition that constitutes the resin layer 11. The presence of these voids promotes the flow of the resin. That is, when the resin layer 11 is heated, the resin of the thermosetting resin composition that constitutes the resin layer 11 melts, and the molten resin enters the voids, promoting the flow of the resin. As a result, the graphite is also arranged in such a way that the penetration resistivity and volume resistivity of the fuel cell separator are low.
樹脂層11の体積抵抗率は、プリプレグ層13の体積抵抗率よりも低い。これにより、燃料電池用セパレータ部材10を燃料電池用セパレータに加工することで、燃料電池用セパレータ60の貫通抵抗率及び体積抵抗率が低くなる。なお、体積抵抗率の測定で用いる樹脂層11及びプリプレグ層13の硬化状態は、Cステージである。 The volume resistivity of the resin layer 11 is lower than that of the prepreg layer 13. As a result, by processing the fuel cell separator member 10 into a fuel cell separator, the penetration resistivity and volume resistivity of the fuel cell separator 60 are reduced. The cured state of the resin layer 11 and prepreg layer 13 used in measuring the volume resistivity is the C stage.
樹脂層11とプリプレグ層13との間に、他の層が積層されていてもよく、単層でも、多層でもよい。例えば、他の層が単層である場合、他の層は、例えば熱可塑性樹脂組成物又は上述した熱硬化性樹脂組成物から構成される。他の層があることにより、燃料電池用セパレータのガスバリア性が向上する。 Another layer may be laminated between the resin layer 11 and the prepreg layer 13, and may be a single layer or multiple layers. For example, when the other layer is a single layer, the other layer is composed of, for example, a thermoplastic resin composition or the above-mentioned thermosetting resin composition. The presence of the other layer improves the gas barrier properties of the fuel cell separator.
他の層が熱可塑性樹脂組成物から構成される場合は、熱可塑性樹脂組成物として、アクリル樹脂を主剤としたアクリル系樹脂組成物、熱可塑性ポリイミド樹脂を主剤としたポリイミド系樹脂組成物、ポリアミド樹脂を主剤としたポリアミド系樹脂組成物、ポリエーテルサルフォン樹脂を主剤としたポリエーテルサルフォン系樹脂組成物、フェノキシ樹脂を主剤としたフェノキシ系樹脂組成物、ポリプロピレン樹脂を主剤としたポリプロピレン系樹脂組成物、ポリカーボネート樹脂を主剤としたポリカーボネート系樹脂組成物、ポリエチレン樹脂を主剤としたポリエチレン系樹脂組成物、ポリエステル樹脂を主剤としたポリエステル系樹脂組成物、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)樹脂を主剤としたアクリロニトリルブタジエンスチレン系樹脂組成物、ポリスチレン(PS)樹脂を主剤としたポリスチレン系樹脂組成物、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂組成物を主剤としたポリフェニレンスルフィド系樹脂組成物、ポリアミドイミド(PAI)樹脂を主剤としたポリアミドイミド系樹脂組成物等が挙げられる。 When the other layers are composed of a thermoplastic resin composition, examples of the thermoplastic resin composition include an acrylic resin composition based on an acrylic resin, a polyimide resin composition based on a thermoplastic polyimide resin, a polyamide resin composition based on a polyamide resin, a polyethersulfone resin composition based on a polyethersulfone resin, a phenoxy resin composition based on a phenoxy resin, a polypropylene resin composition based on a polypropylene resin, a polycarbonate resin composition based on a polycarbonate resin, a polyethylene resin composition based on a polyethylene resin, a polyester resin composition based on a polyester resin, an acrylonitrile butadiene styrene resin composition based on an acrylonitrile butadiene styrene (ABS) resin, a polystyrene resin composition based on a polystyrene (PS) resin, a polyphenylene sulfide resin composition based on a polyphenylene sulfide (PPS) resin composition, and a polyamideimide resin composition based on a polyamideimide (PAI) resin.
耐熱性、耐久性、密着性、及び加工性の観点から、好ましくはポリエーテルサルフォン系樹脂組成物、ポリプロピレン系樹脂組成物であり、ガスバリア性の観点から、好ましくはポリエーテルサルフォン系樹脂組成物である。2種以上の樹脂組成物を混合して用いてもよい。 From the viewpoints of heat resistance, durability, adhesion, and processability, polyethersulfone-based resin compositions and polypropylene-based resin compositions are preferred, and from the viewpoint of gas barrier properties, polyethersulfone-based resin compositions are preferred. Two or more types of resin compositions may be mixed and used.
次に、実施の形態の燃料電池用セパレータ部材10の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the fuel cell separator member 10 according to the embodiment will be described.
(燃料電池用セパレータ部材10の製造方法)
実施の形態の燃料電池用セパレータ部材10の製造方法は、基材にカーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物を含浸させてプリプレグ層13を作製する工程と、薄片状の黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物をシート状に成形して樹脂層11を作製する工程と、プリプレグ層13の両面に樹脂層11をそれぞれ積層し、加圧することによりプリプレグ層13と樹脂層11とを一体化する工程と、を備える。
(Method of manufacturing fuel cell separator member 10)
The manufacturing method of the fuel cell separator member 10 of the embodiment includes the steps of impregnating a substrate with a thermosetting resin composition containing carbon-based powder to produce a prepreg layer 13, forming the thermosetting resin composition containing flaky graphite into a sheet to produce a resin layer 11, and laminating resin layers 11 on both sides of the prepreg layer 13 and integrating the prepreg layer 13 and the resin layer 11 by applying pressure.
まず、基材にカーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物を含浸させてプリプレグ層13を作製する方法について説明する。 First, we will explain the method of producing the prepreg layer 13 by impregnating a substrate with a thermosetting resin composition containing carbon-based powder.
(プリプレグ層13の製造方法)
図2は、プリプレグ層13を製造する装置を示したものである。図2において、上流及び下流は搬送方向における上流及び下流とし、上及び下はプリプレグ層13の製造ライン20において上下方向とする。
(Method for manufacturing prepreg layer 13)
Fig. 2 shows an apparatus for producing the prepreg layer 13. In Fig. 2, upstream and downstream refer to the upstream and downstream in the conveying direction, and up and down refer to the top and bottom directions in the production line 20 for the prepreg layer 13.
送り出しロール110は、外周に加工前の基材90が巻かれている。送り出しロール110は、基材90を下流へ供給する。基材90は、ガイドロール101及びガイドロール102を経由して、カーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂121が満たされた樹脂含浸部120に搬送される。基材90は樹脂含浸部120において樹脂121が含浸され、ガイドロール103を経由して、樹脂121を乾燥させる樹脂乾燥部130へ搬送される。 The feed roll 110 has the substrate 90 wound around its outer circumference before processing. The feed roll 110 supplies the substrate 90 downstream. The substrate 90 is transported via guide rolls 101 and 102 to a resin impregnation section 120 filled with resin 121 made of a thermosetting resin composition containing carbon-based powder. The substrate 90 is impregnated with the resin 121 in the resin impregnation section 120, and is transported via guide roll 103 to a resin drying section 130 where the resin 121 is dried.
樹脂乾燥部130を通過した基材90は、セパレートフィルム供給部106及びセパレートフィルム供給部107から供給されたセパレートフィルム160及びセパレートフィルム150により、基材90の上面及び下面が覆われる。基材90は、上面及び下面がセパレートフィルム160及びセパレートフィルム150に覆われた状態で、ラミネートロール104及びラミネートロール105により押圧される。 After passing through the resin drying section 130, the upper and lower surfaces of the substrate 90 are covered with the separation film 160 and the separation film 150 supplied from the separation film supply section 106 and the separation film supply section 107. The substrate 90 is pressed by the lamination roll 104 and the lamination roll 105 with the upper and lower surfaces covered with the separation film 160 and the separation film 150.
押圧された基材90は、巻き取りロール140により巻き取られる。巻き取られた基材90は、基材90にカーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物が含浸されたプリプレグ層13である。 The pressed substrate 90 is wound up by a winding roll 140. The wound substrate 90 is a prepreg layer 13 in which the substrate 90 is impregnated with a thermosetting resin composition containing carbon-based powder.
樹脂乾燥部130を通過した後の基材90は、図1のプリプレグ層13に対応する。 The substrate 90 after passing through the resin drying section 130 corresponds to the prepreg layer 13 in FIG. 1.
送り出しロール110は、搬送経路の最も上流側に配置されている。送り出しロール110は、回転可能に支持されている。これにより、送り出しロール110は、基材90を送り出すことができる。送り出しロール110は、モータ等の駆動機構により回転可能である。巻き取りロール140の回転に伴って、従動可能な機構にしてもよい。 The delivery roll 110 is disposed at the most upstream side of the transport path. The delivery roll 110 is supported so as to be rotatable. This allows the delivery roll 110 to deliver the substrate 90. The delivery roll 110 can be rotated by a drive mechanism such as a motor. It may also be a mechanism capable of being driven by the rotation of the take-up roll 140.
樹脂含浸部120は、送り出しロール110よりも下流側に配置されている。樹脂含浸部120の容器には、塗布に適した粘度に調整されたカーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂121が充填されている。 The resin impregnation section 120 is located downstream of the delivery roll 110. The container of the resin impregnation section 120 is filled with resin 121, which is a thermosetting resin composition containing carbon-based powder whose viscosity is adjusted to be suitable for application.
樹脂含浸部120には、含浸ロール122が設置されている。含浸ロール122は、含浸ロール122の少なくとも一部が樹脂121に浸るように設置されている。ガイドロール102により搬送された基材90は、含浸ロール122の外周に沿って、樹脂121の中を通過する。 An impregnation roll 122 is installed in the resin impregnation section 120. The impregnation roll 122 is installed so that at least a portion of the impregnation roll 122 is immersed in the resin 121. The substrate 90 transported by the guide roll 102 passes through the resin 121 along the outer periphery of the impregnation roll 122.
このとき、基材90に樹脂121が含浸される。含浸される樹脂121の量は、樹脂121の粘度、及び、基材90が搬送されるスピードにより、調整される。これにより、プリプレグ層13の厚み、すなわち基材90に含浸される樹脂121の量を調整することができる。 At this time, the base material 90 is impregnated with the resin 121. The amount of resin 121 impregnated is adjusted by the viscosity of the resin 121 and the speed at which the base material 90 is transported. This makes it possible to adjust the thickness of the prepreg layer 13, i.e., the amount of resin 121 impregnated into the base material 90.
樹脂乾燥部130は、樹脂含浸部120よりも下流側に配置されている。樹脂乾燥部130は、送風により、基材90に含浸された樹脂121を乾燥させる。乾燥は、加熱しながら送風してもよい。乾燥条件は、基材90に含浸された樹脂121の量、樹脂乾燥部130を通過した後の樹脂121の硬化状態、樹脂乾燥部130の長さ、及び、搬送スピードにより適宜調整される。 The resin drying section 130 is disposed downstream of the resin impregnation section 120. The resin drying section 130 dries the resin 121 impregnated into the substrate 90 by blowing air. Drying may be performed by blowing air while heating. The drying conditions are appropriately adjusted depending on the amount of resin 121 impregnated into the substrate 90, the cured state of the resin 121 after passing through the resin drying section 130, the length of the resin drying section 130, and the conveying speed.
樹脂乾燥部130を通過した後の基材90に含浸された樹脂121の硬化状態は、Bステージである。 After passing through the resin drying section 130, the cured state of the resin 121 impregnated into the substrate 90 is in the B stage.
セパレートフィルム供給部106、セパレートフィルム供給部107、ラミネートロール104、及びラミネートロール105は、樹脂乾燥部130と巻き取りロール140との間に配置されている。 The separate film supply unit 106, the separate film supply unit 107, the laminating roll 104, and the laminating roll 105 are arranged between the resin drying unit 130 and the winding roll 140.
セパレートフィルム供給部106は、セパレートフィルム160を基材90の上面に供給する。セパレートフィルム供給部107は、セパレートフィルム150を基材90の下面に供給する。 The separate film supply unit 106 supplies the separate film 160 to the upper surface of the substrate 90. The separate film supply unit 107 supplies the separate film 150 to the lower surface of the substrate 90.
ラミネートロール104及びラミネートロール105は、基材90の上面及び下面に供給されたセパレートフィルム150及びセパレートフィルム160を加圧しながら貼り合わせる。 The laminating rolls 104 and 105 apply pressure to the separate films 150 and 160 supplied to the upper and lower surfaces of the substrate 90 while bonding them together.
ラミネートロール104及びラミネートロール105に加熱装置をつけて、ラミネートロール104及びラミネートロール105が加熱された状態でセパレートフィルム150及びセパレートフィルム160を貼り合わせてもよい。 A heating device may be attached to the laminating rolls 104 and 105, and the separating film 150 and the separating film 160 may be bonded to the laminating rolls 104 and 105 in a heated state.
セパレートフィルム150及びセパレートフィルム160は、少なくとも基材90と接する面に離型処理が施されていることが好ましい。 It is preferable that the separate film 150 and the separate film 160 are subjected to a release treatment at least on the surface that contacts the substrate 90.
セパレートフィルム150及びセパレートフィルム160には、異なる離型処理が施し、剥離強度を異なる状態にしてもよい。この剥離強度の違いを利用して、基材90に張り合わされたセパレートフィルムを容易に剥がすことができる。また、基材90の一方の面だけ、セパレートフィルムを剥がすことができる。 Separate film 150 and separate film 160 may be subjected to different release treatments to give them different peel strengths. By utilizing this difference in peel strength, the separate film attached to substrate 90 can be easily peeled off. Also, the separate film can be peeled off only from one side of substrate 90.
なお、樹脂121の乾燥後の表面状態にもよるが、樹脂乾燥部130を通過した基材90の表面のべたつき(タック性)がない場合は、セパレートフィルムを用いなくてもよい。これにより、製造ライン20を簡素にすることができる。 Although this depends on the surface condition of the resin 121 after drying, if the surface of the substrate 90 that has passed through the resin drying section 130 is not sticky (tacky), it is not necessary to use a separate film. This can simplify the production line 20.
巻き取りロール140は、搬送経路の最も下流側に設置されている。巻き取りロール140は回転可能な状態で支持されている。巻き取りロール140は、上からセパレートフィルム160、基材90(プリプレグ層13)、セパレートフィルム150の順で積層された積層体170を巻き取る。 The winding roll 140 is installed at the most downstream side of the transport path. The winding roll 140 is supported in a rotatable state. The winding roll 140 winds up the laminate 170, which is made up of the separate film 160, the base material 90 (prepreg layer 13), and the separate film 150 stacked in this order from the top.
次に、薄片状の黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物をシート状に成形して樹脂層11を作製する方法について、説明する。 Next, we will explain the method of producing the resin layer 11 by forming a thermosetting resin composition containing flaky graphite into a sheet.
(樹脂層11の製造方法)
図3は、樹脂層11を製造する装置を示したものである。図3において、上流及び下流は搬送方向における上流及び下流とし、上及び下は樹脂層11の製造ライン30において上下方向とする。
(Method for manufacturing resin layer 11)
3 shows an apparatus for producing the resin layer 11. In FIG. 3, upstream and downstream refer to the upstream and downstream in the conveying direction, and top and bottom refer to the top and bottom directions in a production line 30 for the resin layer 11.
送り出しロール111は、外周にセパレートフィルム151が巻かれている。送り出しロール111は、セパレートフィルム151を供給する。セパレートフィルム151は、黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂層用樹脂220を塗布する樹脂塗布部210の下を通過する。セパレートフィルム151は樹脂塗布部210において。セパレートフィルム151の上面に樹脂層用樹脂220が塗布され、樹脂層用樹脂220を乾燥させる樹脂乾燥部131へ搬送される。 The delivery roll 111 has a separate film 151 wound around its outer circumference. The delivery roll 111 supplies the separate film 151. The separate film 151 passes under a resin coating section 210 that coats the resin layer resin 220, which is made of a thermosetting resin composition containing graphite. In the resin coating section 210, the separate film 151 is coated with the resin layer resin 220 on its upper surface, and is then transported to a resin drying section 131 that dries the resin layer resin 220.
樹脂乾燥部131を通過したセパレートフィルム151は、巻き取りロール141により巻き取られる。巻き取られたセパレートフィルム151は、セパレートフィルム151の上面に、シート状の樹脂層用樹脂220が形成されている。 The separate film 151 that has passed through the resin drying section 131 is taken up by the take-up roll 141. The taken-up separate film 151 has a sheet-shaped resin for the resin layer 220 formed on the upper surface of the separate film 151.
送り出しロール111は、搬送経路の最も上流側に配置されている。送り出しロール111は、回転可能に支持されている。これにより、送り出しロール111は、セパレートフィルム151を送り出すことができる。送り出しロール111は、モータ等の駆動機構により回転可能である。巻き取りロール141の回転に伴って、従動可能な機構にしてもよい。送り出しロール111から送り出されたセパレートフィルム151に樹脂層用樹脂220が塗布される面(上面)には、離型処理が施されている。 The delivery roll 111 is disposed at the most upstream side of the transport path. The delivery roll 111 is supported so as to be rotatable. This allows the delivery roll 111 to deliver the separation film 151. The delivery roll 111 can be rotated by a drive mechanism such as a motor. It may also be a mechanism that can follow the rotation of the take-up roll 141. A release treatment is applied to the surface (upper surface) of the separation film 151 delivered from the delivery roll 111 on which the resin layer resin 220 is applied.
樹脂塗布部210は、送り出しロール111よりも下流側に配置されている。樹脂塗布部210は、離型処理が施されたセパレートフィルム151の上面に樹脂層用樹脂220を塗布する。樹脂塗布部210は、特に限定されるものではないが、公知のコータが挙げられる。例えば、ダイコータ、コンマコータ、グラビアコータ等である。樹脂塗布部210から供給される樹脂層用樹脂220の量は、乾燥後の樹脂層11の厚さが100~300μmとなるように、樹脂層用樹脂220の粘度、搬送スピード等に合わせて調整される。 The resin coating unit 210 is disposed downstream of the delivery roll 111. The resin coating unit 210 coats the upper surface of the separation film 151 that has been subjected to a release treatment with a resin 220 for the resin layer. The resin coating unit 210 is not particularly limited, but examples thereof include known coaters. Examples include a die coater, a comma coater, and a gravure coater. The amount of resin 220 for the resin layer supplied from the resin coating unit 210 is adjusted according to the viscosity of the resin 220 for the resin layer, the conveying speed, etc., so that the thickness of the resin layer 11 after drying is 100 to 300 μm.
樹脂乾燥部131は、樹脂塗布部210よりも下流側に配置されている。樹脂乾燥部131は、送風により、セパレートフィルム151に塗布された樹脂層用樹脂220を乾燥させる。乾燥は、加熱しながら送風してもよい。乾燥条件は、塗布された樹脂層用樹脂220の量、樹脂乾燥部131を通過した後の樹脂層用樹脂220の硬化状態、樹脂乾燥部131の長さ、及び搬送スピードにより適宜調整される。 The resin drying section 131 is disposed downstream of the resin application section 210. The resin drying section 131 dries the resin for resin layer 220 applied to the separation film 151 by blowing air. Drying may be performed by blowing air while heating. The drying conditions are appropriately adjusted depending on the amount of resin for resin layer 220 applied, the cured state of the resin for resin layer 220 after passing through the resin drying section 131, the length of the resin drying section 131, and the conveying speed.
樹脂乾燥部131を通過した樹脂層用樹脂220の硬化状態は、Bステージである。樹脂乾燥部131を通過した後、シート状に形成された樹脂層用樹脂220(図示せず)は図1の樹脂層11に対応する。 The cured state of the resin 220 for the resin layer that has passed through the resin drying section 131 is B stage. After passing through the resin drying section 131, the resin 220 for the resin layer that has been formed into a sheet shape (not shown) corresponds to the resin layer 11 in FIG. 1.
巻き取りロール141は、搬送経路の最も下流側に設置されている。巻き取りロール141は、上からシート状に形成された樹脂層用樹脂220(樹脂層11)、セパレートフィルム151の順で積層された積層体(図示せず)を巻き取る。 The winding roll 141 is installed at the most downstream side of the transport path. The winding roll 141 winds up a laminate (not shown) in which the resin for the resin layer 220 (resin layer 11) formed in a sheet shape and the separation film 151 are laminated in this order from the top.
なお、乾燥後の樹脂層用樹脂220の表面がべたつく(タック性がある)場合は、セパレートフィルム151の下面にも離型処理が施されていてもよい。すなわち、セパレートフィルム151の両面に離型処理が施されていてもよい。これにより、巻き取りロール141で樹脂層用樹脂220(樹脂層11)、セパレートフィルム151の順で積層された積層体を巻き取った場合でも、セパレートフィルム151の下面と樹脂層用樹脂220(樹脂層11)との密着を防ぐことができる。 If the surface of the resin for resin layer 220 after drying is sticky (tacky), the underside of the separate film 151 may also be subjected to a release treatment. That is, both sides of the separate film 151 may be subjected to a release treatment. This makes it possible to prevent adhesion between the underside of the separate film 151 and the resin for resin layer 220 (resin layer 11) even when the laminate in which the resin for resin layer 220 (resin layer 11) and the separate film 151 are laminated in this order is wound up on the winding roll 141.
別の方法として、セパレートフィルム供給部とラミネートロールを樹脂乾燥部131と巻き取りロール141の間に設置してもよい。これにより、露出した樹脂層用樹脂220の表面をセパレートフィルムで覆うことができるため、巻き取りロール141で巻き取った場合でも、樹脂層用樹脂220がセパレートフィルム151の下面に貼り付くことがない。 As an alternative method, the separate film supply unit and laminating roll may be placed between the resin drying unit 131 and the winding roll 141. This allows the exposed surface of the resin for the resin layer 220 to be covered with the separate film, so that even when wound up by the winding roll 141, the resin for the resin layer 220 does not stick to the underside of the separate film 151.
次に、プリプレグ層13の両面に樹脂層11をそれぞれ積層し、加圧することによりプリプレグ層13と樹脂層11とを一体化する方法について、説明する。 Next, we will explain the method of laminating resin layers 11 on both sides of the prepreg layer 13 and integrating the prepreg layer 13 and the resin layer 11 by applying pressure.
(プリプレグ層13と樹脂層11との一体化)
図4は、プリプレグ層13の両面に樹脂層11をそれぞれ積層して、一体化させる装置を示したものである。
(Integration of prepreg layer 13 and resin layer 11)
FIG. 4 shows an apparatus for laminating resin layers 11 on both sides of a prepreg layer 13 and integrating them together.
はじめにプリプレグ層13(積層体170)を所定の大きさにカットする。積層体170からセパレートフィルム150及びセパレートフィルム160を剥がしプリプレグ層13を得る。 First, the prepreg layer 13 (laminate 170) is cut to a predetermined size. The separate film 150 and the separate film 160 are peeled off from the laminate 170 to obtain the prepreg layer 13.
次にセパレートフィルム151の上面に形成されたシート状の樹脂層用樹脂220、すなわちセパレートフィルム151の上面に形成された樹脂層11を、プリプレグ層13と同じ大きさにカットする。カット後、セパレートフィルム151を剥がして樹脂層11を得る。 Next, the sheet-like resin 220 for the resin layer formed on the upper surface of the separate film 151, i.e., the resin layer 11 formed on the upper surface of the separate film 151, is cut to the same size as the prepreg layer 13. After cutting, the separate film 151 is peeled off to obtain the resin layer 11.
次に得られたプリプレグ層13及び樹脂層11を一体化する。プリプレグ層13の両面に樹脂層11をそれぞれ積層する。積層した後、プレス機300を用いて矢印方向に加圧し、加熱して、プリプレグ層13と樹脂層11とが密着するように、一体化する。一体化して得られた積層体が、燃料電池用セパレータ部材10である。燃料電池用セパレータ部材10の硬化状態は、Bステージである。 Next, the obtained prepreg layer 13 and resin layer 11 are integrated. Resin layers 11 are laminated on both sides of the prepreg layer 13. After lamination, pressure is applied in the direction of the arrow using a press 300, and heating is performed to integrate the prepreg layer 13 and the resin layer 11 so that they are in close contact with each other. The integrated laminate is the fuel cell separator member 10. The cured state of the fuel cell separator member 10 is in the B stage.
一体化する際に、セパレートフィルム151を樹脂層11(シート状の樹脂層用樹脂220)から剥がさない状態で一体化してもよい。 When integrating, the separate film 151 may be integrated without being peeled off from the resin layer 11 (sheet-shaped resin 220 for the resin layer).
加熱加圧の条件は、燃料電池用セパレータ部材10の厚みにより適宜選択できるが、20~350℃、0.1~50MPa、5~300秒である。この積層体(燃料電池用セパレータ部材10)のプリプレグ層13及び樹脂層11の硬化状態は、Bステージである。 The conditions for heating and pressing can be appropriately selected depending on the thickness of the fuel cell separator member 10, but are 20 to 350°C, 0.1 to 50 MPa, and 5 to 300 seconds. The cured state of the prepreg layer 13 and resin layer 11 of this laminate (fuel cell separator member 10) is in the B stage.
なお、上述したプリプレグ層13及び樹脂層11の製造方法において、プリプレグ層13及び樹脂層11を構成する樹脂組成物に有機溶剤を加えることができる。これにより樹脂組成物の粘度を調整することができ、プリプレグ層13及び樹脂層11を作製することができる。 In the above-mentioned method for producing the prepreg layer 13 and the resin layer 11, an organic solvent can be added to the resin composition constituting the prepreg layer 13 and the resin layer 11. This allows the viscosity of the resin composition to be adjusted, and the prepreg layer 13 and the resin layer 11 can be produced.
用いることができる有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類;エチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル等のグリコールモノアルキルエーテル類;エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル等のグリコールジアルキルエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類;ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類;ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等のアミド類;テトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル等が挙げられる。 Examples of organic solvents that can be used include alcohols such as methanol and ethanol; glycols such as ethylene glycol and propylene glycol; glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether and ethylene glycol monoethyl ether; glycol dialkyl ethers such as ethylene glycol dimethyl ether and ethylene glycol diethyl ether; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and ethylbenzene; aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, and octane; amides such as dimethylformamide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone; cyclic ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, and propyl acetate.
(燃料電池用セパレータ部材10の別の製造方法)
燃料電池用セパレータ部材10は、別の方法でも作製することができる。
(Another method for manufacturing the fuel cell separator member 10)
The fuel cell separator member 10 can also be made by other methods.
まず、樹脂層11と、カーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂シートとを準備する。カーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂シートは、薄片状の黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物をシート状に成形して樹脂層11を作製する方法と同じように作製する。 First, prepare the resin layer 11 and a resin sheet made of a thermosetting resin composition containing carbon-based powder. The resin sheet made of a thermosetting resin composition containing carbon-based powder is produced in the same manner as the resin layer 11 is produced by forming a thermosetting resin composition containing flaky graphite into a sheet.
これらを、樹脂を含浸させる前の基材90を中心にして、基材90に近い順に、樹脂シート、樹脂層11の順で基材90の両面にそれぞれ積層する。積層後にこれらを加熱加圧して一体化させ、燃料電池用セパレータ部材10が得られる。 These are layered on both sides of the substrate 90 in the order of closest to the substrate 90, the resin sheet, and the resin layer 11, with the substrate 90 before being impregnated with resin at the center. After layering, these are heated and pressurized to be integrated, and the fuel cell separator member 10 is obtained.
燃料電池用セパレータ部材10は、さらに別の方法でも作製することができる。 The fuel cell separator member 10 can also be produced by other methods.
まず、樹脂層11と、カーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂シートとを準備する。カーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂シートは、薄片状の黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物をシート状に成形して樹脂層11を作製する方法と同じように作製する。 First, prepare the resin layer 11 and a resin sheet made of a thermosetting resin composition containing carbon-based powder. The resin sheet made of a thermosetting resin composition containing carbon-based powder is produced in the same manner as the resin layer 11 is produced by forming a thermosetting resin composition containing flaky graphite into a sheet.
これらを、樹脂を含浸させる前の基材90を中心にして、樹脂シートを基材90の両面に積層する。積層後にこれらを加熱加圧して、プリプレグ層13を得る。 These are laminated on both sides of the base material 90, with the base material 90 before being impregnated with resin at the center. After lamination, these are heated and pressurized to obtain the prepreg layer 13.
次に、樹脂層11とプリプレグ層13を、樹脂層11、プリプレグ層13、樹脂層11の順で積層する。積層後に加熱加圧する。これにより樹脂層11とプリプレグ層13とが密着し、燃料電池用セパレータ部材10が得られる。 Next, the resin layer 11 and the prepreg layer 13 are laminated in the following order: resin layer 11, prepreg layer 13, resin layer 11. After lamination, the layers are heated and pressurized. This causes the resin layer 11 and the prepreg layer 13 to adhere to each other, and the fuel cell separator member 10 is obtained.
燃料電池用セパレータ部材10は、さらに別の方法でも作製することができる。 The fuel cell separator member 10 can also be produced by other methods.
まず、樹脂層11と、カーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂シートとを準備する。カーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂シートは、薄片状の黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物をシート状に成形して樹脂層11を作製する方法と同じように作製する。 First, prepare the resin layer 11 and a resin sheet made of a thermosetting resin composition containing carbon-based powder. The resin sheet made of a thermosetting resin composition containing carbon-based powder is produced in the same manner as the resin layer 11 is produced by forming a thermosetting resin composition containing flaky graphite into a sheet.
これらを次の手順で積層する。 These are layered in the following order:
まず、樹脂を含浸させる前の基材90のどちらか一方の面に、樹脂シートを積層する。積層後に加熱加圧してプリプレグ層13を得る。 First, a resin sheet is laminated on one side of the substrate 90 before it is impregnated with resin. After lamination, the substrate is heated and pressurized to obtain the prepreg layer 13.
次に、プリプレグ層13を中心にして、両面に樹脂層11をそれぞれ積層する。積層後にこれらを加熱加圧する。これにより樹脂層11とプリプレグ層13とが密着し、燃料電池用セパレータ部材10が得られる。 Next, resin layers 11 are laminated on both sides of the prepreg layer 13. After lamination, the layers are heated and pressurized. This bonds the resin layer 11 and the prepreg layer 13 together, resulting in the fuel cell separator member 10.
このとき、樹脂シートの厚みは、基材90に樹脂を均一に含浸させるために、基材90の厚みの2倍以上にすることが好ましい。 At this time, it is preferable that the thickness of the resin sheet is at least twice the thickness of the substrate 90 in order to uniformly impregnate the substrate 90 with the resin.
次に、実施の形態の燃料電池用セパレータ60について説明する。なお、燃料電池用セパレータ部材10の説明と重複する説明は省略する。 Next, the fuel cell separator 60 according to the embodiment will be described. Note that any explanation that overlaps with the explanation of the fuel cell separator member 10 will be omitted.
(燃料電池用セパレータ60)
実施の形態の燃料電池用セパレータ60は、プリプレグ層13の両面に樹脂層11が積層され密着した燃料電池用セパレータ部材10(硬化状態はBステージである。)を、加熱加圧することにより得られる。また、この加熱加圧により、プリプレグ層13を構成する樹脂成分と樹脂層11を構成する樹脂成分は溶融し、プリプレグ層13と樹脂層11とが一体化する。プリプレグ層13を構成する樹脂成分と樹脂層11を構成する樹脂成分とが一体化した燃料電池用セパレータ60は、基材90と、薄片状の黒鉛62と樹脂とを含むマトリックス層500と、を備え、基材90はマトリックス層500に埋設されている。基材90は、プリプレグ層13を構成する基材である。マトリックス層500は、プリプレグ層13を構成するカーボン系粉体を含む熱硬化性樹脂組成物及び樹脂層11を構成する黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物である。また、以下の説明において、基材90として、織物を例に示して説明する。
(Fuel cell separator 60)
The fuel cell separator 60 of the embodiment is obtained by heating and pressurizing the fuel cell separator member 10 (cured in a B stage) in which the resin layer 11 is laminated and bonded on both sides of the prepreg layer 13. In addition, the resin component constituting the prepreg layer 13 and the resin component constituting the resin layer 11 melt by this heating and pressurization, and the prepreg layer 13 and the resin layer 11 are integrated. The fuel cell separator 60 in which the resin component constituting the prepreg layer 13 and the resin component constituting the resin layer 11 are integrated includes a substrate 90 and a matrix layer 500 containing flaky graphite 62 and a resin, and the substrate 90 is embedded in the matrix layer 500. The substrate 90 is a substrate constituting the prepreg layer 13. The matrix layer 500 is a thermosetting resin composition containing the carbon-based powder constituting the prepreg layer 13 and a thermosetting resin composition containing graphite constituting the resin layer 11. In the following description, a woven fabric is used as the substrate 90.
図5に示すように、破線で示された基材90はマトリックス層500に埋設されている。燃料電池用セパレータ60は、表面がマトリックス層500により形成される。 As shown in FIG. 5, the substrate 90 shown by the dashed line is embedded in the matrix layer 500. The surface of the fuel cell separator 60 is formed by the matrix layer 500.
図6は、図5に示した燃料電池用セパレータ60のV-V断面図である。図6に示すように燃料電池用セパレータ60は、基材90と、マトリックス層500と、を備え、基材90はマトリックス層500に埋設されている。 Figure 6 is a V-V cross-sectional view of the fuel cell separator 60 shown in Figure 5. As shown in Figure 6, the fuel cell separator 60 includes a substrate 90 and a matrix layer 500, and the substrate 90 is embedded in the matrix layer 500.
燃料電池用セパレータ60の硬化状態は、Cステージである。 The hardened state of the fuel cell separator 60 is in C stage.
このような構成を有する燃料電池用セパレータ60は、貫通抵抗率及び体積抵抗率が低く、燃料電池を構成する燃料電池用セパレータとして好適に用いられる。 The fuel cell separator 60 having such a configuration has low penetration resistance and volume resistivity, and is suitable for use as a fuel cell separator that constitutes a fuel cell.
マトリックス層500に存在する黒鉛62の状態について説明する。 The state of the graphite 62 present in the matrix layer 500 is explained below.
図6の円1に拡大して示すように、マトリックス層500に埋設された基材90の近傍領域には、薄片状の黒鉛62が複数存在する。これら黒鉛62の多くは、黒鉛62の主面がマトリックス層500の主面に対して傾いた状態で存在する。この傾きは、マトリックス層500の表面領域に存在する黒鉛62の傾きより、大きい。ここでマトリックス層500の表面領域とは、マトリックス層500の主面から、マトリックス層500の厚みに対して10%の厚みと同程度の深さまでの領域をいう。基材90の近傍領域とは、基材90の表面から、マトリックス層500の厚みに対して10%の厚みと同程度の深さまでの領域をいう。また、黒鉛62の傾きは、マトリックス層500の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した際に、観察することができた複数の黒鉛62の傾きを調べた平均の傾きである。 As shown in an enlarged view in circle 1 of FIG. 6, there are a number of flake-shaped graphite 62 in the vicinity of the substrate 90 embedded in the matrix layer 500. Most of these graphite 62 are present with the main surface of the graphite 62 inclined relative to the main surface of the matrix layer 500. This inclination is greater than the inclination of the graphite 62 present in the surface region of the matrix layer 500. Here, the surface region of the matrix layer 500 refers to the region from the main surface of the matrix layer 500 to a depth equivalent to 10% of the thickness of the matrix layer 500. The region adjacent to the substrate 90 refers to the region from the surface of the substrate 90 to a depth equivalent to 10% of the thickness of the matrix layer 500. The inclination of the graphite 62 is the average inclination of the inclination of the multiple graphite 62 that could be observed when the cross section of the matrix layer 500 was observed using a scanning electron microscope.
発明者らは、このような構成を有する燃料電池用セパレータ60の貫通抵抗率及び体積抵抗率が低くなる理由を以下のように推測する。 The inventors speculate that the reason why the penetration resistance and volume resistivity of the fuel cell separator 60 having such a configuration are low is as follows.
図6の円1に拡大して示すように、傾きが大きい黒鉛62は、基材90の近傍領域に多く存在する。そして、マトリックス層500には、カーボン系粉体(図示しない)が存在する。このカーボン系粉体は、基材90の近傍領域に多く存在する複数の黒鉛62の間にも存在するため、導電回路が形成されやすくなる。すなわち、燃料電池用セパレータ60の厚み方向で導電通路が形成され易くなる。結果、燃料電池用セパレータ60の貫通抵抗率が低くなる。 As shown enlarged in circle 1 in Figure 6, the graphite 62 with a large inclination is present in large amounts in the region adjacent to the substrate 90. Furthermore, carbon-based powder (not shown) is present in the matrix layer 500. This carbon-based powder is also present between the multiple graphite particles 62 that are present in large amounts in the region adjacent to the substrate 90, making it easier to form conductive circuits. In other words, conductive paths are more likely to be formed in the thickness direction of the fuel cell separator 60. As a result, the penetration resistivity of the fuel cell separator 60 is lower.
図6の円2に拡大して示すように、マトリックス層500の表面領域にも、薄片状の黒鉛62が存在する。黒鉛62は、マトリックス層500の表面領域において基材90の近傍領域より多く存在し、その存在する密度が高い。これにより、燃料電池用セパレータ60の導電性が向上する。さらに、マトリックス層500の表面領域において黒鉛62の主面が、マトリックス層500の主面に対して平行又は傾いた状態で存在する。これにより、マトリックス層500の主面の方向にも導電通路が形成されやすくなり、燃料電池用セパレータ60の体積抵抗率が低くなる。 As shown enlarged in circle 2 in FIG. 6, flake-shaped graphite 62 is also present in the surface region of the matrix layer 500. The graphite 62 is present in greater amounts in the surface region of the matrix layer 500 than in the region adjacent to the substrate 90, and is present at a higher density. This improves the electrical conductivity of the fuel cell separator 60. Furthermore, the main surface of the graphite 62 in the surface region of the matrix layer 500 is present parallel to or inclined relative to the main surface of the matrix layer 500. This makes it easier for conductive paths to be formed in the direction of the main surface of the matrix layer 500, and reduces the volume resistivity of the fuel cell separator 60.
このような構成は、燃料電池用セパレータ部材10を加熱加圧して、プリプレグ層13を構成する樹脂成分と樹脂層11を構成する樹脂成分を溶融させて流動させ、燃料電池用セパレータ部材10を構成する樹脂層11に含まれる空隙へ溶融させた樹脂成分が移動する際に形成される。 This type of structure is formed when the fuel cell separator member 10 is heated and pressurized to melt and flow the resin components constituting the prepreg layer 13 and the resin components constituting the resin layer 11, and the molten resin components move into the voids contained in the resin layer 11 that constitutes the fuel cell separator member 10.
また、この樹脂成分の流動により、マトリックス層500の表面領域においては、黒鉛62の主面がマトリックス層500の主面に対して平行又は平行に近い状態の傾きで配置され易くなる。また、基材90の近傍領域、特に基材90の開口部付近において、樹脂の流動が大きくなるため、黒鉛62の主面がマトリックス層500の表面の主面に対して、大きな傾きで配置され易くなる。なお、開口部を有する基材90はマトリックス層500に埋設されており、開口部にもマトリックス層500が存在している。開口部にマトリックス層500が存在しているが、説明する上で、開口部という用語をそのまま用いる。 In addition, due to the flow of the resin component, in the surface region of the matrix layer 500, the main surface of the graphite 62 tends to be arranged at a tilt that is parallel or close to parallel to the main surface of the matrix layer 500. In addition, in the region near the substrate 90, particularly near the opening of the substrate 90, the flow of the resin becomes large, so that the main surface of the graphite 62 tends to be arranged at a large tilt to the main surface of the surface of the matrix layer 500. The substrate 90 having the opening is embedded in the matrix layer 500, and the matrix layer 500 is also present in the opening. Although the matrix layer 500 is present in the opening, the term "opening" will be used as it is for the purpose of explanation.
なお、主面とは、燃料電池用セパレータ60を水平な台に載置した際に、水平方向と平行となる燃料電池用セパレータ60の面(マトリックス層500の表面)をいう。 The main surface refers to the surface of the fuel cell separator 60 (the surface of the matrix layer 500) that is parallel to the horizontal direction when the fuel cell separator 60 is placed on a horizontal stand.
次に燃料電池用セパレータ60の製造方法について説明する。 Next, we will explain the manufacturing method of the fuel cell separator 60.
(燃料電池用セパレータ60の製造方法)
図7に示すように、燃料電池用セパレータ60は、金型400の間に、Bステージ状態の燃料電池用セパレータ部材10を挿入し、プレス機310を用いて矢印方向に加圧し、加熱することにより得られる。このとき得られる燃料電池用セパレータ60の硬化状態は、Cステージである。
(Method of manufacturing fuel cell separator 60)
7, fuel cell separator 60 is obtained by inserting fuel cell separator member 10 in a B-stage state between dies 400, and applying pressure in the direction of the arrow using a press 310 and heating. The hardened state of fuel cell separator 60 obtained at this time is in a C-stage.
燃料電池用セパレータ60の表面の形状は、金型400により形成される。 The surface shape of the fuel cell separator 60 is formed by a mold 400.
加熱加圧条件は、燃料電池用セパレータ部材10の厚みにより適宜設定される。例えば、100~200℃、5~30MPa、5~120秒である。 The heating and pressurizing conditions are set appropriately depending on the thickness of the fuel cell separator member 10. For example, 100 to 200°C, 5 to 30 MPa, and 5 to 120 seconds.
金型400は、例えば、凹凸形状を有した溝が形成された金型である。この溝が燃料電池におけるガス等の流路となる。 The mold 400 is, for example, a mold in which grooves with uneven shapes are formed. These grooves become the flow paths for gases, etc. in the fuel cell.
以下の実施例及び比較例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明は以下の実施例により限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
実施例及び比較例において、以下の材料を用いた。 The following materials were used in the examples and comparative examples.
(1)主剤:クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、エポキシ当量211g/eq(日本化薬社製、EOCN-102S-70)、
(2)硬化剤:ノボラック型フェノール樹脂、水酸基当量105g/eq(アイカ工業社製、BRG-556)、
(3)強化剤:フェノキシ樹脂(新日鉄住金化学社製、YP-50)、
(4)硬化促進剤:2-ウンデシルイミダゾール(四国化成社製、C11Z)、
(5)導電フィラーA:薄片化黒鉛、平均粒径5μm(デンカ社製、デンカブラック100%プレス)、
(6)導電フィラーB:薄片化黒鉛、平均粒径15μm(デンカ社製、デンカブラック100%プレス)、
(7)導電フィラーC:球状黒鉛、平均粒径35μm(デンカ社製、デンカブラック100%プレス)、
(8)導電フィラーD:アセチレンブラック(デンカ社製、デンカブラック100%プレス)。
(1) Base resin: cresol novolac type epoxy resin, epoxy equivalent 211 g/eq (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd., EOCN-102S-70);
(2) Hardener: Novolac type phenolic resin, hydroxyl equivalent 105 g/eq (manufactured by AICA Corporation, BRG-556);
(3) Reinforcing agent: phenoxy resin (YP-50, manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.),
(4) Curing accelerator: 2-undecylimidazole (manufactured by Shikoku Chemical Industries, Ltd., C11Z),
(5) Conductive filler A: exfoliated graphite, average particle size 5 μm (manufactured by Denka Company, 100% Denka Black Press),
(6) Conductive filler B: exfoliated graphite, average particle size 15 μm (manufactured by Denka Company, Denka Black 100% Press),
(7) Conductive filler C: spherical graphite, average particle size 35 μm (manufactured by Denka Company, Denka Black 100% pressed),
(8) Conductive filler D: acetylene black (manufactured by Denka Company, 100% pressed Denka Black).
実施例及び比較例において、以下の基材を用いた。
(1)ポリエステルメッシュ(日本特殊織物社製、TNo.60SS)。
In the examples and comparative examples, the following substrates were used.
(1) Polyester mesh (manufactured by Nippon Tokushu Orimono Co., Ltd., TNo. 60SS).
実施例及び比較例おいて、サンプルの作製、測定方法、及び評価方法は、以下の通り行った。 In the examples and comparative examples, the samples were prepared, measured, and evaluated as follows.
プリプレグ層、樹脂層、及び燃料電池用セパレータ部材の作製、測定方法、及び評価方法について、実施例1を例に説明する。 The preparation, measurement, and evaluation methods of the prepreg layer, resin layer, and fuel cell separator member are explained using Example 1 as an example.
(1)(プリプレグ層の作製)
(1-1)(プリプレグ層用樹脂組成物)
主剤100.0質量部、硬化剤48.8質量部及び強化剤17.5質量部をそれぞれメチルエチルケトンで溶解させた後、1つの容器に加えて混合し、混合液を調製した。次にその混合液に、硬化促進剤3.0質量部をメタノールに溶解させた溶液、及び導電フィラーD43.8質量部をそれぞれ加えた。加えた後、ホモミキサーで撹拌し、プリプレグ層用樹脂組成物の溶液を得た。撹拌条件は、室温、6000rpm、30分とした。また、その溶液の粘度が100~3000mPa・sの範囲に収まるようにメチルエチルケトンを加えて調製し、プリプレグ層用樹脂組成物を得た。
(1) (Preparation of prepreg layer)
(1-1) (Resin composition for prepreg layer)
100.0 parts by mass of the base agent, 48.8 parts by mass of the curing agent, and 17.5 parts by mass of the reinforcing agent were dissolved in methyl ethyl ketone, and then added to one container and mixed to prepare a mixed solution. Next, a solution in which 3.0 parts by mass of the curing accelerator was dissolved in methanol, and 43.8 parts by mass of the conductive filler D were added to the mixed solution. After addition, the mixture was stirred with a homomixer to obtain a solution of a resin composition for a prepreg layer. The stirring conditions were room temperature, 6000 rpm, and 30 minutes. In addition, methyl ethyl ketone was added so that the viscosity of the solution was within the range of 100 to 3000 mPa·s, and a resin composition for a prepreg layer was obtained.
(1-2)プリプレグ層の作製
厚さ38μmの離型処理済みのフィルム(リンテック社製、PET38X)の離型面に、プリプレグ層用樹脂組成物をバーコータで、乾燥後の厚さが20μmとなるように塗布し乾燥させた。乾燥条件は、70℃、4分とした。冷却後、厚さが20μmのプリプレグ層用樹脂シートを得た。
(1-2) Preparation of Prepreg Layer The resin composition for the prepreg layer was applied to the release surface of a 38 μm-thick release-treated film (PET38X, manufactured by Lintec Corporation) using a bar coater so that the thickness after drying would be 20 μm, and then dried. The drying conditions were 70° C. and 4 minutes. After cooling, a resin sheet for the prepreg layer having a thickness of 20 μm was obtained.
次に、プリプレグ層用樹脂シートの樹脂面とポリエステルメッシュとを重ね合わせ、ラミネート機(大成ラミネーター社製、VA-700)を用いて、80℃、0.4m/min、0.6MPaの条件で貼り合せた。冷却後、離型処理済みのフィルムを剥がし、プリプレグ層を得た。 Next, the resin surface of the prepreg layer resin sheet was overlapped with a polyester mesh, and the pieces were bonded together using a laminator (TAISEI LAMINATOR CO., LTD., VA-700) at 80°C, 0.4 m/min, and 0.6 MPa. After cooling, the release-treated film was peeled off to obtain a prepreg layer.
(2)(樹脂層の作製)
(2-1)樹脂層用樹脂組成物
主剤100.0質量部、硬化剤48.4質量部及び強化剤35.0質量部をそれぞれメチルエチルケトンで溶解させた後、1つの容器に合わせて混合し、混合液を調製した。次にその混合液に、硬化促進剤3.0質量部をメタノールで溶解させた溶液、及び導電フィラーA559.0質量部をそれぞれ加え、室温で撹拌し、樹脂層用樹脂組成物の溶液を得た。また、その溶液の粘度が100~3000mPa・sの範囲に収まるようにメチルエチルケトンを加えて調製し、樹脂層用樹脂組成物を得た。
(2) (Preparation of resin layer)
(2-1) Resin layer resin composition 100.0 parts by mass of the main agent, 48.4 parts by mass of the curing agent and 35.0 parts by mass of the reinforcing agent were dissolved in methyl ethyl ketone, and then mixed together in one container to prepare a mixed solution. Next, a solution in which 3.0 parts by mass of the curing accelerator was dissolved in methanol and 559.0 parts by mass of the conductive filler A were added to the mixed solution, and the mixture was stirred at room temperature to obtain a solution of the resin layer resin composition. In addition, methyl ethyl ketone was added so that the viscosity of the solution was within the range of 100 to 3000 mPa·s, and a resin layer resin composition was obtained.
(2-2)樹脂層用樹脂シートの作製
厚さ38μmの離型処理済みのフィルム(リンテック社製、PET38X)の離型面に、樹脂層用樹脂組成物をバーコータで、乾燥後の厚さが250μmとなるように塗布し、乾燥させた。乾燥条件は、70℃、7分とした。冷却後、厚さが250μmの樹脂層用樹脂シートを得た。
(2-2) Preparation of Resin Sheet for Resin Layer The resin composition for the resin layer was applied to the release surface of a 38 μm-thick release-treated film (PET38X, manufactured by Lintec Corporation) with a bar coater so that the thickness after drying would be 250 μm, and then dried. The drying conditions were 70° C. and 7 minutes. After cooling, a resin sheet for the resin layer having a thickness of 250 μm was obtained.
(3)(燃料電池用セパレータ部材の作製)
プリプレグ層の表面と裏面に樹脂層用樹脂シートの樹脂面が合わさるように樹脂層用樹脂シートを、それぞれ積層した。その後、80℃、0.4m/min、0.6MPaの条件で貼り合せた。次に、冷却後、樹脂層用シートの離型処理済みのフィルムを剥がし、燃料電池用セパレータ部材を得た。
(3) (Fabrication of Fuel Cell Separator Member)
The resin layer resin sheets were laminated on the front and back surfaces of the prepreg layer so that the resin surfaces of the resin layer resin sheets faced each other. Then, the prepreg layers were laminated under conditions of 80° C., 0.4 m/min, and 0.6 MPa. After cooling, the release-treated film of the resin layer sheet was peeled off to obtain a fuel cell separator member.
各種測定に使用するサンプルとして、燃料電池用セパレータ、プリプレグ層単体、及び樹脂層単体の特性を評価する特性評価用サンプルを作製した。
(4)(特性評価用サンプルの作製)
特性評価用サンプルは、100mm×100mmの正方形で、燃料電池用セパレータ部材、プリプレグ層単体、及び樹脂層単体からそれぞれ切り出した。次に、切り出した各サンプルの両面に離型処理面が合わさるように厚さ38μmの離型処理済みのフィルム(リンテック社製 PET3811)を積層した。積層した各サンプルの硬化状態がCステージとなるように、180℃、5分、20MPaの条件でプレス成形を行った。冷却後、燃料電池用セパレータ、プリプレグ層単体、及び樹脂層単体の特性評価用サンプルをそれぞれ得た。
As samples to be used for various measurements, characteristic evaluation samples for evaluating the characteristics of a fuel cell separator, a prepreg layer alone, and a resin layer alone were prepared.
(4) (Preparation of sample for characteristic evaluation)
The characteristic evaluation samples were cut out from the fuel cell separator member, the prepreg layer alone, and the resin layer alone in a square shape of 100 mm x 100 mm. Next, a release-treated film (PET3811 manufactured by Lintec Corporation) having a thickness of 38 μm was laminated on both sides of each cut-out sample so that the release-treated surface was aligned. Press molding was performed under conditions of 180° C., 5 minutes, and 20 MPa so that the cured state of each laminated sample was C stage. After cooling, characteristic evaluation samples of the fuel cell separator, the prepreg layer alone, and the resin layer alone were obtained.
ここで、燃料電池用セパレータの特性評価用サンプルを特性評価用サンプル1、プリプレグ層単体の特性評価用サンプルを特性評価用サンプル2、樹脂層単体の特性評価用サンプルを特性評価用サンプル3、とした。 Here, the sample for evaluating the characteristics of the fuel cell separator was designated as characteristic evaluation sample 1, the sample for evaluating the characteristics of the prepreg layer alone was designated as characteristic evaluation sample 2, and the sample for evaluating the characteristics of the resin layer alone was designated as characteristic evaluation sample 3.
<体積抵抗率の測定>
特性評価用サンプル1について、抵抗率計(日置電機社製、RM3545)を用い、JIS K7194に準じ4探針法により、体積抵抗率(mΩ・cm)を測定した。同じように、特性評価用サンプル2及び特性評価用サンプル3の体積抵抗率も測定した。
<Measurement of Volume Resistivity>
The volume resistivity (mΩ·cm) of the characteristic evaluation sample 1 was measured by a four-probe method in accordance with JIS K7194 using a resistivity meter (RM3545, manufactured by Hioki E.E. Corporation). The volume resistivities of the characteristic evaluation samples 2 and 3 were also measured in the same manner.
<貫通抵抗率の測定>
貫通抵抗率を測定するサンプルを次のように作製した。まず、(4)で作製した特性評価用サンプル1を2枚重ねた。重ね合わせた後、外側となる2つの面に、ガス拡散層基材(三菱ケミカル社製 GDL MFL)をそれぞれ積層し、測定用サンプルを得た。
<Measurement of penetration resistance>
A sample for measuring the penetration resistivity was prepared as follows. First, two sheets of the characteristic evaluation sample 1 prepared in (4) were stacked. After stacking, a gas diffusion layer substrate (GDL MFL, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was laminated on each of the two outer surfaces to obtain a measurement sample.
貫通抵抗率は、測定用サンプルの外側となる2つの面(ガス拡散層が露出している2つの面)に金メッキ処理された電極をそれぞれ接触させ、1MPaの圧力をかけた状態で通電し、測定した。 The penetration resistance was measured by contacting gold-plated electrodes to the two outer surfaces of the measurement sample (the two surfaces on which the gas diffusion layer was exposed) and passing a current under a pressure of 1 MPa.
<曲げ強度の測定>
(1)測定用サンプルの作製
特性評価用サンプル1を、幅10mm、長さ20mmに矩形にカットし、これを測定用サンプルとした。
(2)測定方法
オートグラフ試験機(島津製作所社製、AG-10)を用いて曲げ強度の測定を行った。測定は、3点曲げ(支点間距離10mm、試験速度2mm/分)で行い、破壊荷重を測定した。曲げ強度は、JIS K7171に準拠し、得られた最大曲げ応力(試験片が耐えうる最大曲げ応力)から算出した。
<Measurement of bending strength>
(1) Preparation of Measurement Sample The characteristic evaluation sample 1 was cut into a rectangle having a width of 10 mm and a length of 20 mm, which was used as a measurement sample.
(2) Measurement method The bending strength was measured using an autograph testing machine (AG-10, manufactured by Shimadzu Corporation). The measurement was performed by three-point bending (support distance 10 mm, test speed 2 mm/min) to measure the breaking load. The bending strength was calculated from the obtained maximum bending stress (maximum bending stress that the test piece can withstand) in accordance with JIS K7171.
<ガスバリア性>
ガスバリア性の評価は、水蒸気透過度を測定して評価した。
(1)測定用サンプルの作製
特性評価用サンプル1を、直径76mmの円形状にカットして、測定用サンプルとした。
(2)測定方法
水蒸気透過度は、JIS Z0208に準拠して求めた。具体的には、40℃、90%RHの条件下で、24時間中に測定用サンプルを透過する水蒸気の量を、1m2当たりに換算した値(g/m2・24h)として求めた。
<Gas barrier properties>
The gas barrier property was evaluated by measuring the water vapor permeability.
(1) Preparation of Measurement Samples The characteristic evaluation sample 1 was cut into a circular shape with a diameter of 76 mm to prepare a measurement sample.
(2) Measurement method The water vapor permeability was determined in accordance with JIS Z 0208. Specifically, the amount of water vapor that permeated the measurement sample in 24 hours under conditions of 40°C and 90% RH was calculated as a value per square meter (g/ m2 ·24h).
評価基準は以下の通りとした。
Excellent:水蒸気透過度が13g/m2・24h未満である。
Good:水蒸気透過度が13g/m2・24h以上、32g/m2・24h未満である。
Poor:水蒸気透過度が32g/m2・24h以上である。
The evaluation criteria were as follows:
Excellent: Water vapor transmission rate is less than 13 g/ m2 ·24 h.
Good: Water vapor permeability is 13 g/ m2 ·24 h or more and less than 32 g/ m2 ·24 h.
Poor: Water vapor permeability is 32 g/ m2 ·24 h or more.
実施例2~実施例5は、表1に示すように、各成分の種類及び含有量を変えた以外は、上述した実施例1と同様の方法により作製した。また、評価についても、実施例1と同様の方法により特性評価用サンプルを作製し、評価を行った。 Examples 2 to 5 were prepared in the same manner as Example 1 described above, except that the type and content of each component was changed as shown in Table 1. In addition, for evaluation, samples for characteristic evaluation were prepared and evaluated in the same manner as Example 1.
比較例1の樹脂層、及び燃料電池用セパレータ部材について説明する。 The resin layer and fuel cell separator member of Comparative Example 1 are described below.
(樹脂層及び樹脂層用樹脂シートの作製)
樹脂層は、実施例1と同じように作製した。
(Preparation of resin layer and resin sheet for resin layer)
The resin layer was prepared in the same manner as in Example 1.
(燃料電池用セパレータ部材の作製)
ポリエステルメッシュの表面と裏面に樹脂層用樹脂シートの樹脂面が合わさるように樹脂層用樹脂シートを、それぞれ積層した。その後、80℃、0.4m/min、0.6MPaの条件で貼り合せた。冷却後、樹脂層用シートの離型処理済みのフィルムを剥がし、燃料電池用セパレータ部材を得た。
(Preparation of fuel cell separator member)
The resin layer resin sheets were laminated on the front and back surfaces of the polyester mesh so that the resin surfaces of the resin layer resin sheets faced each other. Then, the sheets were laminated under conditions of 80° C., 0.4 m/min, and 0.6 MPa. After cooling, the release-treated film of the resin layer sheet was peeled off to obtain a fuel cell separator member.
比較例2~比較例3は、表1に示すように、各成分の種類及び含有量を変えた以外は、上述した比較例1と同様の方法により作製した。 Comparative Examples 2 to 3 were prepared in the same manner as Comparative Example 1 described above, except that the types and contents of each component were changed as shown in Table 1.
(燃料電池用セパレータ部材及び樹脂層単体の評価)
比較例1~比較例3の評価は、実施例1と同様の方法により燃料電池用セパレータの特性評価用サンプル(特性評価用サンプル1)、及び樹脂層単体の特性評価用サンプル(特性評価用サンプル3)を作製し、評価を行った。
(Evaluation of fuel cell separator members and resin layer alone)
For the evaluation of Comparative Examples 1 to 3, a sample for evaluating the characteristics of a fuel cell separator (Sample for Evaluation of Characteristics 1) and a sample for evaluating the characteristics of the resin layer alone (Sample for Evaluation of Characteristics 3) were prepared in the same manner as in Example 1 and evaluated.
表1の結果より、実施例1~5の燃料電池用セパレータの貫通抵抗率及び体積抵抗率は、良好であった。さらに、実施例1~5の燃料電池用セパレータは、貫通抵抗率及び体積抵抗率が低い状態で、ガスバリア性及び曲げ強度も良好であった。このように本発明により導電性を有し、貫通抵抗率及び体積抵抗率が低い燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータを構成する燃料電池用セパレータ部材、及び燃料電池用セパレータ部材の製造方法の提供が可能となる。 From the results in Table 1, the fuel cell separators of Examples 1 to 5 had good through-hole resistivity and volume resistivity. Furthermore, the fuel cell separators of Examples 1 to 5 had good gas barrier properties and bending strength while having low through-hole resistivity and volume resistivity. In this way, the present invention makes it possible to provide a fuel cell separator that is electrically conductive and has low through-hole resistivity and volume resistivity, a fuel cell separator member that constitutes a fuel cell separator, and a method for manufacturing a fuel cell separator member.
本発明の燃料電池用セパレータ部材、燃料電池用セパレータ部材の製造方法、及び燃料電池用セパレータは、産業上利用可能性を有する。 The fuel cell separator member, the manufacturing method for the fuel cell separator member, and the fuel cell separator of the present invention have industrial applicability.
10 燃料電池用セパレータ部材、
11 樹脂層、
13 プリプレグ層、
20、30 製造ライン、
60 燃料電池用セパレータ、
62 黒鉛、
90 基材、
101、102、103 ガイドロール、
104、105 ラミネートロール、
106、107 セパレートフィルム供給部、
110、111 送り出しロール、
120 樹脂含浸部、
121 樹脂、
122 含浸ロール、
130、131 樹脂乾燥部、
140、141 巻き取りロール、
150、151、160 セパレートフィルム、
170 積層体、
210 樹脂塗布部、
220 樹脂層用樹脂、
300、310 プレス機、
400 金型、
500 マトリックス層。
10 Fuel cell separator member,
11 resin layer,
13 Prepreg layer,
20, 30 production lines,
60 Fuel cell separator,
62 graphite,
90 Substrate,
101, 102, 103 Guide roll,
104, 105 Laminate roll,
106, 107 Separate film supply unit,
110, 111: Sending roll,
120 resin impregnated portion,
121 resin,
122 Impregnation roll,
130, 131 resin drying section,
140, 141 Winding roll,
150, 151, 160 Separate film,
170 laminate,
210 resin coating part,
220 resin for resin layer,
300, 310 Press machine,
400 molds,
500 matrix layer.
Claims (8)
前記プリプレグ層の両面にそれぞれ積層された黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物から構成される樹脂層と、を備え、
前記基材の材質は、ポリエチレンテレフタレート又はポリエチレンナフタレートであり、
前記樹脂層の体積抵抗率は、前記プリプレグ層の体積抵抗率よりも低い、燃料電池用セパレータ部材。 a prepreg layer in which a base material having an opening is impregnated with a thermosetting resin composition containing a carbon-based powder;
and a resin layer composed of a thermosetting resin composition containing graphite laminated on each of both sides of the prepreg layer,
The material of the substrate is polyethylene terephthalate or polyethylene naphthalate,
A fuel cell separator member, wherein the resin layer has a volume resistivity lower than a volume resistivity of the prepreg layer.
薄片状の黒鉛を含む熱硬化性樹脂組成物をシート状に成形して樹脂層を作製する工程と、
前記プリプレグ層の両面に前記樹脂層をそれぞれ積層し、加圧することにより前記プリプレグ層と前記樹脂層とを一体化する工程と、
を備える燃料電池用セパレータ部材の製造方法。 A step of impregnating a substrate made of polyethylene terephthalate or polyethylene naphthalate and having an opening with a thermosetting resin composition containing carbon-based powder to prepare a prepreg layer;
A step of forming a resin layer by forming a thermosetting resin composition containing flaky graphite into a sheet shape;
a step of laminating the resin layers on both sides of the prepreg layer and applying pressure to integrate the prepreg layer and the resin layer;
A method for manufacturing a fuel cell separator member comprising the steps of:
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